无机盐颗粒在超临界水膜反应器内的流动特性研究
（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003：2.广州中国科学院先进技术研究所，广东广州511458；3.中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳518055）
界水膜反应器内的气固两相流特性进行数值模拟.分析了无机盐颗粒直径、入口流量、颗粒密 摘要：文中采用基于欧拉一拉格期日方程的拉格期日离散相模型，对无机盐颗粒在超临度等对超临界水膜反应器内的颗粒运动规律、分布特性的影响.并且分析了颗粒直径和颗粒密对于颗粒密度，颗粒直径的变化会引起颗粒流动状态更明显的变化；并且颗粒在多孔壁附近的 度对无机盐题粒接近多孔壁的参数的影响.结果表明曳力对题粒在反应器内流动非常重要：相参数受流场两侧靠近多孔壁的漓流扩散影响较大.研完结果有利于倪化超临界水膜反应器.
关键词：超临界水氧化；水膜反应器；盐沉积；离数相；数值模拟
中图分类号：TQ116.2文献标志码：A文章编号：1009-3230（2018）08-0020-07
Research ofInorganicSaltParticleFlow CharacteristicinSupercritical TranspiringWallReactor
YANG Jie WANG Hui je' ZHANG Feng ming MO Ming CHEN Zhi yu CHEN Jiu lir² SU ChuangjianBaoding 071003 Hebei Province China; 2. Guangzhou Institutes of Advanced Technology Technology Chinese Academy of Sciences Shenzhen 518055 Guangdong Province China)
Abstract: Based on the Lagrange discrete phase model a numerical simulation conceming gas -solid two - phase flow characteristic of inorganic salt particle in the supercritical transpiring wallreactor has been conducted.Analyzing of inorganic salt particle diameter inlet flow rate and particle density which affect particle movement regulation as well as distribution and of inorganic salt particlediaeter as well as particle density which afect the parameters of inorganic salt particle closing to theporous tantalum in the supercritical transpiring wall reactor is esential. The results show that dragparticle movement more obviously than various particle density; the parameters of particles nearingporous tube are greater influenced by turbulent difusion nearingboth side flow fields of porous tube.The simulation results are useful for the optimization of supereritical transpiring wall reactor.
Key words: Supercritical water oxidation; Transpiring wall reactor; Salt deposition; Diserete phase;Numerical simulation
0引言
的有机废液技术最早是由美国麻省理工学院的Michael Modell教授提出.这个工艺具有反应速度快、处理彻底、无二次污染、反应器体积小、结构简单，以及低浓度下可以保持反应系统能量平衡等特点，是目前最具前景的有机废水处理技术之一，但也面临着腐蚀和盐沉积两大技术难
超临界水氧化处理高浓度、难降解、有毒有害
题3.腐蚀主要源于超临界水氧化过程中形成的无机酸（如HCI、HSO等）以及高温、高氧浓度的反应条件；而无机盐在超临界水中的溶解度极低容易造成盐沉积.
验研究可获取反应器内流场特性的数据较为有 限，而数值模拟成为反应器流场特性研究的重要手段[.针对超临界水膜反应器内的颗粒的流动特性的研究目前还非常少.山东大学的张勇研究了氮气膜反应器内颗粒释放位置不同时颗粒的运动轨迹，由于是气膜反应器，流体的物性以及反应器流场的特性相差较大，并且没有进一步分析颗粒以及流场参数对颗粒流动特性的影响，因此具有一定的局限性.文中采用欧拉-拉格朗日方程建立无机盐颗粒在超临界水膜反应器其在反应器内的流动和分布特性的影响规律，为 内的气固两相流模型，并分析无机盐颗粒参数对后续水膜反应器的优化提供指导.
水膜反应器是同时解决腐蚀和盐沉积较为有效的方法（*-）.水膜反应器（如图1所示）由承压外壳和多孔璧组成，顶部注人的有机废液、氧化剂以及辅助热源.顶部注人的氧化剂和由辅助热源预热至反应温度的有机废液在同轴喷嘴下方发生超临界反应并产生高温流体，面上下两路不同 温度的蒸发水从反应器侧面注人并在多孔内壁面形成水膜保护层，水膜冲刷多孔内壁面或溶解析出的无机盐从而起到抗腐蚀和盐沉积的作用.水膜边界层的抗盐沉积作用不仅与水膜的分布特性和状态参数（如厚度、均匀度、温度）有关，还与无机盐颗粒在反应器内的流动与分布特性息息相关.如图1所示，超临界反应区析出的无机盐颗粒可能会运动到反应器下部的低温溶盐区溶解流出，也可能会运动扩散到反应器上部的多孔管内粒可能不会溶解并粘附到多孔璧，造成多孔壁的 壁面，由于该位置的水膜温度较高，所以无机盐颗堵塞结垢、局部过热、腐蚀加重等问题-”.因此，开展无机盐颗粒在反应器内的流动特性研究对优化水膜反应器性能具有重要意义.
1模型与方法
1.1模型简化及网格划分
直接模拟无机盐在超临界水/亚临界水中的析出与溶解过程较为复杂，由于文中重点关注无机盐的流动特性，为了避免计算繁杂，文中简化并以反应后的高温水携带无机盐颗粒反应器顶部喷嘴注人，反应器内的反应压力设定为23MPa.假设蒸发水沿上下两个人水口均匀注人，图2（a）为 在水膜反应器试验装置基础上简化后的物理模型[，相关尺寸如表1所示.多孔管通过分隔环分为上下两个区域.采用四边形结构单元对计算区域进行网格划分，并在多孔壁内侧进行加密，总网格数为124727，如图2（b）所示.同时进行网格独立性检验，进一步增加网格数量，计算结果无变化.
图1超临界水膜反应器内无机盐析出及运动示意图
由于超临界水氧化的高温高压反应条件，试
图2超临界水膜反应器二维模型及反应器二维网格
1.2数学模型
1.2.1离散相控制方程
表！ 反应疆基本尺寸数值/mmH 750L 150014 x3018 ×5D 5512.58 10
基于欧拉-拉格朗日方程的拉格朗日离散相模型（DPM模型），流体相被处理为连续相，直接求解N-S方程，面离散相由计算流场中的大量的粒子得到.流体相和流体相间可以有质量、离散相的体积占比要比较低，一般低于10%，但 动量和能量的交换.该模型假设：作为第二相的是质量比率可以较高，可以大于10%.超临界水膜反应器内存在复杂的流动、传热和传质过程，控制方程可由以下的质量、动量、能量方程组成：
式中，p为流体的密度，μ为流体的速度，p为压 力，r为粘性应力.文中的淄流模型采用的是RNGk1e模型.
数值模拟通过积分拉氏坐标系下的颗粒受力微分方程来求解颗粒的运动轨迹，颗粒受力平衡方程在笛卡尔坐标系的（X方向）形式：
上式右边第一项为单位曳力项，第二项为重力及浮力项，第三项为颗粒所受其他力项.其中第三项又包括以下颗粒受力，见表2.
(1)
(2)
(3)
F.（4）
表2 颗粒受力及其表达式
力 表达式虚拟质量力[]F=压力梯度力] =Bee F =6²√ d - (u-a )Sfmn升力[14] F =1.61（p） （-u)Maprs F.- pd（u-u）
1.3求解条件
设置流体相边界条件为，进口均为流量进口，出口为压力出口，其他为固壁边界条件.高温蒸发水和低温蒸发水流量相等.颗粒参数及具体计算条件见表3.采用有限体积法进行控制方程的离散，采用隐式求解器，一阶迎风格式离散微分方程.使用SIMPLE算法求解压力耦合方程.收敛残差标准为残差值小于10.颗粒取与流体质点相同的速度进入流场.考虑颗粒与流体间的相互影响，采用离散相与连续相间的相互耦合.
表3
数值模拟计算条件及颗粒参数
数 数值超临界水进口流量/（kgh-） 10超临界水进口湿度/K 823高湿蒸发水流盘/（kgh-1） 22.16低温蒸发水流录/（kgh-） 高温蒸发水温度/K 573低温蒸发水温度/K 22.16 300粒直径/m 1 x10-4粒密度/（kg=） 2160
注：①表中参数取值均为不考速该参数作为影响因素时的取值.其他模拟工况下的取值均为改变单一变量，控制其他条件不变，单一变量的取值见具体结果和分析.
2结果和分析
2.1反应器内温度场、流场分布
对数值模拟的结果进行处理，可以得到反应器的温度图、流场流线图、以及流场矢量图.如图3-4所示.
高温流体从进口流人水膜反应器，在出口下方形
图3反应器温度图
图5颗粒距多孔健距离示意图
2.2.1颗粒直径对颗粒流动特性的影响
从图6可以看出随着颗粒直径的增大，颗粒在反应器中的停留时间先接近指数级下降，然后慢慢趋于平稳.这是因为颗粒直径较小时，曳力占主导作用，随着颗粒直径的增大，曳力增大，重力增大，颗粒所受的浮力也在增大，但是重力和颗粒直径的三次方成正比，并且颗粒的密度远大于流体的密度，所以重力增大的速度要大于浮力. 重力和浮力的量级随颗粒直径增大开始大于曳力，并且远大于其他作用力；最后造成重力方向的合力增大，重力方向的加速度增大，颗粒在反应器中的轴向平均速度增大，颗粒在反应器中的停留时间变短.这点也可以通过颗粒轴向速度与颗粒直径的关系得到验证.
图4流场流线及矢量图
成高温区.反应器侧面注人的蒸发水通过多孔管渗透进人反应器，由于蒸发水的温度比反应器上部注人的主流体温度低，所以越远离反应器的中心轴，反应器温度越低.在反应器下部通过下支路注人低温蒸发水，不但使反应器的温度沿径向降低，同时沿轴向也不断降低.由于反应器的下半部分温度相对较低，作为反应器的溶盐区.
反应器上部注人中心流体，其在出口处的流速比反应器内的流速要高很多，同时其流速远远高于从多孔璧渗透后沿内壁留下的流体的速度.所以在反应器上部产生了流体的射流卷吸，在中心轴线和多孔璧之间产生激涡.激涡的产生强化了流体在反应器内部的流动.
2.2颗粒流动特性的分析
采用单颗粒追踪分析颗粒及连续相参数对颗粒流动特性的影响，忽略当流扩散作用.颗粒从进人反应器到流出反应器的时间定义为停留时 间；为了避免流体射流对结果分析的影响，颗粒在距出口一段距离处的较为稳定的轴向速度定义为轴向速度，颗粒轨迹最靠近多孔璧处的位置到多孔璧的距离定义为距多孔璧距离，如图5所示.
图6颗粒直径对顺粒在流场中流动参数的影响
随着颗粒直径的增大，颗粒轨迹距多孔璧的距离呈指数级增大，最后慢慢趋于平稳.这与颗粒在反应器中的停留时间表现出的趋势是一致对应的.颗粒直径增大，通过计算我们可以知道，重力和浮力增大的速度属于力中最大的量级，
其增加速度高于曳力.所以随着颗粒直径的增加，合力的矢量方向更加趋近于轴向，横向位移降 低.颗粒直径的增大会缩短在反应器内的停留时间，并且颗粒在反应器内的流动轨迹离多孔璧的距离更远，这样有利于对多孔璧的保护.
2.2.2颗粒密度对颗粒流动特性的影响
由图7可以看出来随着颗粒密度的增加，颗粒在水膜反应器中的运动轨迹距多孔壁的距离基本呈线性增大趋势.颗粒在水膜反应器中的停留时间有着相反的趋势.这是因为当颗粒密度增大时，颗粒直径不变，颗粒重力增大.面除重力以外 的力，根据对颗粒进行受力的分析，理论上颗粒密度对诸如虚拟质量力、Basset力等均无影响，只对重力有影响.颗粒的重力及轴向的合力随颗粒密度的增加，颗粒所受轴向合力随颗粒密度的增加线性增大.所以颗粒在多孔壁的停留时间以及径向位移均呈现线性减小的趋势.
但是当颗粒密度变化从1500~6000kg/m²，颗粒在反应器的停留时间变化0.056s，颗粒与多孔壁的距离变化4.5x10m.无论是停留时间 还是接近距离变化量都非常的小.这是因为颗粒在重力方向的合力虽然随着颗粒密度的增大而增大，但是，当其他条件一样时，由于模拟工况的颗粒直径较小，颗粒密度引起的合力变化远远小于颗粒所受曳力大小，所以决定颗粒运动的依然是占主导作用的曳力.综上所述，颗粒密度的变化会引起颗粒运动特性和分布规律的变化，但是这种变化非常微小.
图7颗粒密度对顺粒在流场中流动参数的影响
通过改变进人反应器的流体流量来改变颗粒进人反应器的人口速度，并对不同的工况进行模
拟.当颗粒随流体以不同的速度进入反应器时，从图8中可以明显看出颗粒的速度基本保持上升 的趋势.这是因为颗粒入口速度的不同代表进人反应器内的流体流量的不同，所以随着颗粒人口速度的升高，进人反应器内的流体流量增加，而反应器的尺寸维持不变，所以流体速度增大.又因为颗粒具有较好的流体随体性，所以颗粒的轴向速度随流体速度的增大而不断增大.颗粒在反应器内的停留时间随着人口速度的增加而不断降低，这是由于颗粒在反应器内的轴向速度增大造成的.随着颗粒进口速度的增加，颗粒在反应器 中运动轨迹的高度不断下降，这与颗粒的轴向速度与停留时间的变化是一致的.
图8顺粒入口速度对顺粒在流场中流动参数的影响
2.2.4蒸发水流量对颗粒流动特性的影响
在模拟蒸发水流量变化的影响时，上下两支路蒸发水流量相等同步变化.从图9可以明显看出，随着注人环隙蒸发水流量的升高，颗粒在反应器内的停留时间不断下降.直接影响并产生这种变化的是颗粒在反应器内的轴向速度加快，反应器尺寸不变，所以停留时间下降.流体的轴向速 度的变化取决于流体的流量、流体密度、以及反应器的截面尺寸.所以随着注人蒸发水流量的升高，反应器内的流体的温度下降，流体密度增大，反应器内流量相对升高，流体轴向流速增大.又在该尺寸的颗粒受力中，曳力占主导地位，所以颗粒具有非常好的颗粒流体随体性，所以颗粒运动的轴向速度增大，颗粒在反应器内的停留时间减少.颗粒轴向速度随蒸发水流量的变化是一致的.随着蒸发水流量的增大，颗粒运动轨迹到多 孔璧的距离不断增大，这可能是由两方面引起的.
